Los reguladores maestros permiten el acceso al ADN para la expresión génica
UNIVERSITY PARK, Pensilvania. Nuevos conocimientos sobre proteínas llamados «factores pioneros» ayudan a explicar su capacidad inusual para abrir el material genético típicamente denso en nuestras células. Este comportamiento hace que el material genético sea accesible para las proteínas involucradas en importantes procesos celulares, como la replicación y reparación del ADN, la expresión génica y la creación de proteínas. El estudio, dirigido por un equipo de investigadores de Penn State y la Universidad Estatal de Ohio, utilizó una combinación única de biología estructural, biofísica y biología celular para comprender cómo estos «reguladores maestros» del genoma interactúan con los nucleosomas, la unidad básica del genoma en todas las células eucariotas, desde la levadura hasta los humanos.
El ADN dentro del núcleo de las células generalmente se envuelve alrededor de proteínas llamadas histonas y se empaqueta en complejos densos llamados nucleosomas. Los nucleosomas, que parecen cuentas en una cadena de ADN, se agrupan para formar cromatina, que luego forma los cromosomas.
«Los nucleosomas son una barrera para que muchas proteínas se asocien con la cromatina, pero los factores pioneros tienen una propiedad especial que pueden invadir el nucleosoma y generar regiones abiertas a las que pueden acceder otros factores», dijo Lu Bai, profesor asociado de bioquímica. y Biología Molecular y Física en Penn State y uno de los líderes del equipo de investigación. «Por esta razón, a veces se los considera ‘maestros reguladores’ de los genes. En este estudio, utilizamos una combinación de enfoques para comprender mejor cómo los factores pioneros pueden invadir el nucleosoma.
El estudio aparece en la edición del 20 de abril de la revista Molecular Cell.
Los factores pioneros son un tipo de factor de transcripción: proteínas esenciales para el proceso de transcripción, donde el ADN se copia en planos de ARN para la creación de proteínas. Si bien muchos factores de transcripción pueden unirse al nucleosoma, la mayoría se cae muy rápidamente. Por el contrario, los factores pioneros tienen lo que se llama un «mecanismo de compensación de disociación» que les permite permanecer unidos de manera estable al nucleosoma durante un período prolongado de tiempo.
El equipo de investigación comparó un factor pionero llamado Cbf1 y un factor de transcripción no pionero llamado Pho4 en la levadura en ciernes. Ambas proteínas tienen estructuras generales similares y la capacidad de reconocer las mismas secuencias de ADN, pero se comportan de manera diferente alrededor del nucleosoma. Usando una técnica de imagen sensible llamada microscopía crioelectrónica, los investigadores identificaron una estructura en el factor pionero que creen que contribuye a su capacidad para invadir el nucleosoma.
«Según nuestra estructura de microscopía crioelectrónica, Cbf1 interactúa no solo con la parte de ADN del nucleosoma, sino también con las histonas del nucleosoma a través de su región hélice-bucle-hélice», dijo Song Tan, profesor de Verne M. Willaman de biología molecular. biología en Penn State y uno de los líderes del equipo de investigación. «Sospechamos que esta interacción ayuda a evitar que Cbf1 se disocie tan rápido como los factores no pioneros».
Para confirmar el papel de la región hélice-bucle-hélice, el equipo de investigación creó «quimeras» de cada una de las proteínas, eliminando una hélice-bucle-hélice del factor pionero y añadiendo una al factor de transcripción pionero no registrado. Luego miden la velocidad con la que estas quimeras se disocian del nucleosoma.
«Eliminar la hélice-bucle-hélice del factor pionero causó una disociación más rápida, lo que resultó en un fenómeno de compensación de disociación reducido y un factor pionero significativamente menos eficiente», dijo Michael Poirier, profesor y titular de la cátedra de física en el estado de Ohio y uno de los de los lideres del equipo de investigación. «Sorprendentemente, la adición de la región hélice-bucle-hélice impartió propiedades de factor pionero al factor no pionero».
Para confirmar aún más sus hallazgos, los investigadores exploraron cómo funcionan estas quimeras en las células de levadura vivas. Descubrieron que el factor pionero y la quimera no pionera modificada para comportarse como un factor pionero facilitaron tanto la invasión como la apertura del nucleosoma. En conjunto, estos hallazgos ayudan a explicar cómo factores pioneros como Cbf1 pueden acceder al nucleosoma y aumentar la accesibilidad del ADN para otros factores.
«Este estudio no habría sido posible sin la experiencia combinada de nuestros tres grupos distintos», dijo Tan. Biología celular in vivo. Fue una colaboración maravillosamente sinérgica y produjo ideas y resultados que no se habrían generado con uno o incluso dos de nuestros grupos solos. Continuamos esta colaboración para explorar las interacciones entre otros factores pioneros y el nucleosoma.
Además de Tan y Bai, el equipo de investigación de Centro de Regulación de Genes Eucarióticos en Penn State incluye al estudiante graduado Hengye Chen y al investigador postdoctoral en el momento de la investigación Priit Eek. Además de Poirier, el equipo de investigación de Ohio State incluye a Benjamin Donavan, Zhiyuan Meng y Caroline Jipa. Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU., el Consejo de Investigación de Estonia y la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.
